CN103944442B - 一种折叠式微型震动发电机及其制造方法 - Google Patents

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种折叠式微型震动发电机及其制造方法。本发电机包括一三明治可折叠基底，可折叠基底由两层挠性绝缘基底和位于两挠性绝缘基底之间的感应电极构成，感应电极由两互补的梳齿状电极构成；其中，可折叠基底上、下表面分别周期性分布第一摩擦结构单元、第二摩擦结构单元，第一摩擦结构单元与感应电极的奇数梳齿部分对应，第二摩擦结构单元与感应电极的偶数梳齿部分对应；可折叠基底可沿所述感应电极的梳齿间隙折成锯齿状，即构成折叠式微型震动发电机。本发明发电机可极大提高单位面积的输出功率且易于制备，同时利用折叠结构本身的挠性，在保证输出功率的基础上，有效提高能量转换效率。

Description

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，具体涉及一种利用静电感应原理，基于挠性基底制备的折叠式微型震动发电机。
背景技术
在全球能源危机不断深化，供需矛盾日益恶化的背景下，从生活环境中采集能量将有望成为实现能源可持续发展的有效途径，尤其是在消费电子、植入式医疗器件、物联网等领域发挥作用。通过微纳米加工技术制备微型发电装置是近年的研究热点，研究人员通过不同的加工手段制备得到了多种基于压电、电磁、热电等原理的微型发电机，并实现了一定的应用。但上述类型的微型发电机，受限于其较低的输出功率密度和能量转换效率，很难满足实际应用需求。
利用静电感应原理，通过两个不同表面的互相摩擦或撞击产生静电荷积累，并使两个表面延垂直表面方向做靠近、分离的往复运动，从而在分别对应这两个表面的感应电极间形成电荷输运，从而可以完成对周围环境机械能的高效率采集，实现高输出功率密度和能量转换效率的折叠式微型震动发电机。
单个的基于静电感应原理的拱形摩擦纳米发电机[Wang，S.，Lin，L.andWang，Z.L.Nanoscaletriboelectric-effect-enabledenergyconversionforsustainablypoweringportableelectronics.NanoLetters12，6339-6346(2012).]已经通过较为复杂的微纳米加工工艺制备得到，并可以达到较高的瞬时输出电压。但其通过多层复合薄膜制备拱形结构，制备工艺复杂，成本高昂，而且难以实现批量制备和组装。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，采用折叠结构，两个表面摩擦层和两者之间的感应电极构成折叠单元，可极大提高单位面积的输出功率，同时利用折叠结构本身的挠性，在保证输出功率的基础上，可有效减少转换成拱形结构弹性势能所消耗的能量，从而有效提高能量转换效率。本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、成品率高、生产周期短、可实现批量制备，单个折叠微型震动发电机在制备成型后无需进行人工或机械组装，因而性能一致度高，可有效降低甚至消除多个微型震动发电机并连组装时的损耗。该制造方法与印刷电路板工艺兼容，可方便实现多个折叠微型震动发电机串并连组装成发电机组及其与外部负载电路的互连。
为达到上述目的本发明提供了一种折叠式微型震动发电机，其结构包括由两层挠性绝缘基底和感应电极构成的可折叠三明治基底、第一摩擦结构单元，第二摩擦结构单元。三明治基底上、下表面周期性分布第一摩擦结构单元、第二摩擦结构单元，且上、下表面结构对称。两个互补的梳齿状感应电极分别对应两个摩擦结构单元，沿两个梳齿间隙将三明治基底压折成锯齿状，即制备得到折叠式微型震动发电机，折叠层数由感应电极的梳齿总数决定，梳齿总数不小于两个。
上述方案中所述挠性绝缘基底为挠性高聚合物材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)，聚酰亚胺(polyimide，PI)等，其厚度为20μm-60μm。
上述方案中所述感应电极为导电性好的金属材料，如铜、铝等，其厚度为1μm-20μm，其形状为两个互补的梳齿结构，分别与两个摩擦单元对应。
上述方案中所述第一摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料，如铜、银、金、铝、PET等。
上述方案中所述第二表面摩擦结构单元为光滑表面或微纳米阵列结构表面，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料，如PI，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)等。
本发明还提供了一种折叠式微型震动发电机制造方法，包括以下步骤：
a、在挠性绝缘基底上淀积或键合一层金属薄膜作为电极层；
b、通过光刻和化学腐蚀或物理刻蚀在电极层制备得到感应电极，感应电极由两个互补的梳齿状结构组成，其梳齿总数决定发电机折叠层数，梳齿总数大于等于2；
c、在感应电极上键合另一层挠性绝缘基底，构成可折叠三明治基底；
d、在三明治基底上、下表面分别加工第一摩擦结构单元；
e、在三明治基底上、下表面分别加工第二摩擦结构单元；
f、通过电镀、钝化等物理化学方法对摩擦结构单元进行修饰；
g、沿感应电极的梳齿间隙，通过机械压折成锯齿状，最终制备得到折叠式微型震动发电机。
上述折叠式微型震动发电机制造方法中：
步骤a中所述挠性绝缘基底为挠性高聚合物材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，PET)，聚酰亚胺(polyimide，PI)等。
步骤a中所述感应电极为导电性好的金属材料，如铜、铝等。
步骤d中所述第一摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料，如铜、银、金、铝、PET等。
步骤e中所述第二摩擦结构单元为光滑表面或微纳米阵列结构表面，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料，如PI，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，聚氯乙烯(polyvinylchloride，PVC)等。
以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。
与现有技术相比，本发明提供的折叠式微型震动发电机其优点在于：
1.本发明提供的折叠结构，两个表面摩擦结构单元和两者之间的感应电极构成折叠单元，可极大提高单位面积的输出功率，同时利用折叠结构本身的挠性，在保证输出功率的基础上，可有效减少转换成拱形结构弹性势能所消耗的能量，从而有效提高能量转换效率。
2.本发明提出的制造方法工艺简单、成本低、成品率高、生产周期短，单个折叠微型震动发电机在制备成型后无需进行人工或机械组装，因而性能一致度高，可有效降低甚至消除多个微型震动发电机并连组装时的损耗。
3.本发明提出的制造方法与印刷电路板工艺兼容，可方便实现多个折叠式微型震动发电机串并连组装成发电机组及其与外部负载电路的互连。
附图说明
图1为本发明提供的一种折叠式微型震动发电机结构示意图；
(a)平面结构示意图，(b)折叠示意图；
图2为本发明提供的梳齿状互补感应电极结构示意图；
图3为本发明提供的金属铜微米阵列显微照片；
图4为根据实施例1所提供的方法制备得到的折叠式微型震动发电机输出电压测试结果示意图；
图5为本发明提供的另一种折叠式微型震动发电机结构示意图；
(a)平面结构示意图，(b)折叠示意图；
图6为本发明提供的金字塔形PDMS阵列扫描电镜照片；
其中，1-PI基底，2-铜感应电极，3-金属铜微米阵列，4-PET基底，5-金属铝感应电极，6-金属铝摩擦单元，7-金字塔形PDMS阵列单元。
具体实施方式
下面结合具体实施实例及附图，对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种结构如图1所示的折叠式微型震动发电机的制造方法。所制备的发电机其结构包括：PI基底1，铜感应电极2，金属铜微米阵列单元3。
在本实施例中，采用挠性覆铜板作为基底，并分别以铜作为第一摩擦结构单元，以PI作为第二摩擦结构单元，其制造方法有所调整。
其具体制备工艺流程包括：
a、通过光刻和化学腐蚀在双面挠性覆铜板上表面金属铜层制备如图2所示的由两个互补的梳齿状结构组成的感应电极2，双面挠性覆铜板基底即为PI基底1；
b、通过光刻和化学腐蚀在双面挠性覆铜板下表面金属铜层及单面挠性覆铜板金属铜层分别制备周期分布的矩形金属铜微米阵列单元3，作为第一摩擦结构单元，金属铜微米阵列特征尺寸为25μm-150μm，间距为25μm-150μm，金属铜微米阵列显微照片如图3所示；
c、将双面挠性覆铜板通过感应电极2和PI基底1与单面挠性覆铜板键合，使键合后两个表面的金属铜微米阵列单元对称；
d、PI基底1裸露表面即为第二摩擦结构单元；
e、通过机械将结构压折成锯齿状，最终制备得到折叠式微型震动发电机。
上述实施例所提供的制备工艺流程中：
步骤a和步骤b中所述化学腐蚀，其腐蚀液为三氯化铁。
步骤a、步骤b和步骤c中所述双面挠性覆铜板为金属铜、PI、金属铜三层复合薄膜，其中PI厚度为20μm-60μm，金属铜厚度为12μm-25μm。
步骤b和步骤c中所述单面挠性覆铜板为PI和金属铜双层复合薄膜，其中PI厚度为20μm-60μm，金属铜厚度为12μm-25μm。
通过上述实施方法制备得到的折叠式微型震动发电机，其输出电压测试结果如图5所示。
实施例2
本实施例提供一种结构如图5所示的折叠式微型震动发电机的制造方法。
其结构包括：PET基底4，金属铝感应电极5，金属铝摩擦单元6，金字塔形PDMS阵列单元7。
其具体制备工艺流程包括：
a、在PET基底4上蒸镀一层金属铝薄膜，作为电极层，其中PET基底4厚度为30μm-60μm，金属铝薄膜厚度为1μm～10μm；
b、通过光刻和化学腐蚀在电极层制备得到由两个互补的梳齿状结构组成的金属铝感应电极5；
c、在感应电极上键合另一层PET基底4，两层PET基底4和感应电极5构成可折叠三明治基底；
d、在三明治基底上、下表面分别蒸镀一层金属铝薄膜，并通过光刻和化学腐蚀制备得到周期分布的金属铝摩擦单元6，其位置与图2所示感应电极的奇数梳齿对应，金属铝摩擦单元6即为第一摩擦结构单元；
e、在三明治基底上、下表面与图2所示感应电极的偶数梳齿对应位置分别利用铸膜转印工艺制备得到周期分布的金字塔形PDMS阵列7，即为第二摩擦结构单元，金字塔形PDMS阵列，其特征尺寸为2μm-50μm，间距为2μm-50μm扫描电镜照片如图6所示；
f、将通过机械将结构压折成锯齿状，最终制备得到折叠式微型震动发电机。
上述实施例所提供的制备工艺流程中：
步骤b和步骤d中所述化学腐蚀，其腐蚀液为磷酸。
以上对本发明提出的一种折叠式微型震动发电机及其制备方法进行了详细说明，并通过实例对本发明的原理及实施方式进行了具体诠释，以帮助理解本方面的核心原理及方法。本发明并不限于上述实施方式，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员在不背离本发明的实质内容的前提下，所做的任何改进、替换等均属于本发明范围内。

Claims (12)

1.一种折叠式微型震动发电机，其特征在于包括一可折叠基底，所述可折叠基底由两层挠性绝缘基底和位于两挠性绝缘基底之间的感应电极构成，所述感应电极由两互补的梳齿状电极构成；其中，所述可折叠基底上、下表面分别周期性分布第一摩擦结构单元、第二摩擦结构单元，第一摩擦结构单元与所述感应电极的奇数梳齿部分对应，第二摩擦结构单元与所述感应电极的偶数梳齿部分对应；所述可折叠基底沿所述感应电极的梳齿间隙折成锯齿状，即构成折叠式微型震动发电机。
2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于所述两互补的梳齿状电极梳齿宽度相等。
3.如权利要求1或2所述的发电机，其特征在于所述挠性绝缘基底为挠性高聚合物材料。
4.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述第一摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料；所述第二摩擦结构单元为光滑表面或具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料。
5.如权利要求2所述的发电机，其特征在于所述第二摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料；所述第一摩擦结构单元为光滑表面或具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料。
6.如权利要求4或5所述的发电机，其特征在于所述第一、二摩擦结构单元为利用电镀或钝化方法进行修饰后的摩擦结构单元。
7.一种折叠式微型震动发电机的制造方法，其步骤为：
1)制备一可折叠基底，所述可折叠基底由两层挠性绝缘基底和位于两挠性绝缘基底之间的感应电极构成，所述感应电极由两互补的梳齿状电极构成；
2)在所述可折叠基底上、下表面分别制备第一摩擦结构单元；其中，第一摩擦结构单元与所述感应电极的奇数梳齿部分对应；
3)在所述可折叠基底上、下表面分别制备第二摩擦结构单元；其中，第二摩擦结构单元与所述感应电极的偶数梳齿部分对应；
4)沿所述感应电极的梳齿间隙将所述可折叠基底折成锯齿状，得到折叠式微型震动发电机。
8.一种折叠式微型震动发电机的制造方法，其步骤为：
1)在一上、下表面覆有金属层的挠性绝缘基底的上表面制备一感应电极；所述感应电极由两互补的梳齿状电极构成；
2)在所述挠性绝缘基底下表面金属层、以及一面覆有金属层的挠性绝缘基底的金属层制备周期性分布的第一、二摩擦结构单元；
3)将所述挠性绝缘基底具有所述感应电极的表面与所述一面覆有金属层的挠性绝缘基底第一、二摩擦结构单元相对的表面键合，得到一基底结构；
4)沿所述感应电极的梳齿间隙将所述基底结构折成锯齿状，得到折叠式微型震动发电机；
其中，第一摩擦结构单元与所述感应电极的奇数梳齿部分对应，第二摩擦结构单元与所述感应电极的偶数梳齿部分对应。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述两互补的梳齿状电极梳齿宽度相等。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述第一摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料；所述第二摩擦结构单元为光滑表面或具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述第二摩擦结构单元表面具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易失去电子积累正电荷的材料；所述第一摩擦结构单元为光滑表面或具有微纳米阵列结构，其材料为在发生紧密接触后容易得到电子积累负电荷的材料。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于利用电镀或钝化方法对所述第一、二摩擦结构单元进行修饰。
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